物理學(xué)與人類文明

1、物理學(xué)與人類文明物理學(xué)是一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，它所研究的是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的 運(yùn)動規(guī)律以及所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法。物理學(xué)又分為力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)等各個(gè)部分。按照物理學(xué)的歷史發(fā)展 又可以分為經(jīng)典物理與近代物理兩部分。近代物理是相對于經(jīng)典物理而言的，泛指以相對論 和量子論為基礎(chǔ)的20世紀(jì)物理學(xué)。隨著人類對物質(zhì)世界認(rèn)識的深入，物理學(xué)一方面帶動了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展；另一方面推動了 文化、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。經(jīng)典物理學(xué)奠定了兩次工業(yè)革命的基礎(chǔ)；近代物理學(xué)推動了信息 技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、航空航天技術(shù)、生物技術(shù)等的迅速發(fā)展，繼而推動了人類 社會的變化和人類文明

2、的發(fā)展。物理學(xué)的基礎(chǔ)性、技術(shù)性、思想性使之成為推動人類文明進(jìn) 步的重要力量。基礎(chǔ)性物理學(xué)是基礎(chǔ)自然科學(xué)。物理學(xué)的研究成果和研究方法直接應(yīng)用于化學(xué)、生物、地理、氣象 等自然科學(xué)，大大加速了自然科學(xué)的發(fā)展和分化獨(dú)立，甚至形成了新的獨(dú)立學(xué)科或分支學(xué)科。 如天體物理學(xué)、空間物理學(xué)、地球物理學(xué)，流體力學(xué)、生物物理，物理化學(xué)、量子化學(xué)等等。 使人們更全面地探索、認(rèn)識自然界的規(guī)律。物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。物理學(xué)不滿足于定性地說明現(xiàn)象，或者簡單 地用文字記載事實(shí)，為了盡可能準(zhǔn)確地從數(shù)量關(guān)系上去掌握物理規(guī)律，數(shù)學(xué)就成為物理學(xué)不 可缺少的工具，而豐富多彩的物理世界又為數(shù)學(xué)研究開辟了廣闊的天地。物理學(xué)與天

3、文學(xué)的關(guān)系更是密不可分，它可以追溯到早期開普勒與牛頓對行星運(yùn)動 的研究。天文學(xué)提供了地球上實(shí)驗(yàn)室所不具備的極端條件，如高溫、高壓、高能粒子、強(qiáng)引 力等，構(gòu)成了檢驗(yàn)物理學(xué)理論的理想的實(shí)驗(yàn)室。因此，幾乎所有的廣義相對論的證據(jù)都來自 天文觀測。正電子和子都是首先在宇宙線研究中觀測到的，為粒子物理學(xué)的創(chuàng)建做出了貢 獻(xiàn)。物理學(xué)與化學(xué)本是唇齒相依、息息相關(guān)的?；瘜W(xué)中的原子論、分子論的發(fā)展為物 理學(xué)中氣體動理論的建立奠定了基礎(chǔ)，從而能夠?qū)ξ镔|(zhì)的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)做出滿意的 解釋；而物理學(xué)中量子理論的發(fā)展，原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的建立又從本質(zhì)上說明了各種元素 性質(zhì)周期性變化的規(guī)律。物理學(xué)在生物學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn)體現(xiàn)

4、在兩個(gè)方面:一是為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn) 手段，如電子顯微鏡、X射線衍射、核磁共振、掃描隧道顯微鏡等；二是為生命科學(xué)提供理 論概念和方法。40年代，英國劍橋大學(xué)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室開展了對肌紅蛋白的X射線結(jié)構(gòu)分 析，經(jīng)過長期的努力終于確定7DNA （脫氧核糖核酸）的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了遺傳密碼的本質(zhì)， 這是20世紀(jì)生物科學(xué)的最重大突破。分子生物學(xué)已經(jīng)構(gòu)成了生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域，生物物理 學(xué)顯然也是大有可為的。技術(shù)性 物理學(xué)幾乎是一切工程科學(xué)的基礎(chǔ)。物理學(xué)的成就直接發(fā)展了各種各樣的工程技術(shù)，形成了 今天門類齊全、多樣的工業(yè)體系。今天的許多高新技術(shù)也仍然是以物理學(xué)的研究成果為基礎(chǔ) 的。這些工程技術(shù)的發(fā)展應(yīng)

5、用，極大地提高了社會生產(chǎn)力水平，改變了人類的生活、生產(chǎn)方 式，創(chuàng)造了輝煌的物質(zhì)文明。比如，機(jī)械、建筑科學(xué)就是經(jīng)典力學(xué)原理的實(shí)際運(yùn)用，今天的 電力、電子工業(yè)是電磁學(xué)發(fā)展的結(jié)果，光學(xué)特別是激光技術(shù)使得光纖通信、互聯(lián)網(wǎng)、激光醫(yī) 學(xué)等蓮勃發(fā)展。一般說來，物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系存在兩種基本模式：其一是由于生產(chǎn)實(shí)踐的需要而創(chuàng)建 了技術(shù)，例如18世紀(jì)至19世紀(jì)蒸汽機(jī)等熱機(jī)技術(shù)，然后提高到理論上來，建立了熱力學(xué)， 再反饋到技術(shù)中去，促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；其二是先在實(shí)驗(yàn)室中揭示了基本規(guī)律，建立比 較完整的理論，然后再在生產(chǎn)中發(fā)展成為一種全新的技術(shù)。19世紀(jì)電磁學(xué)的發(fā)展，提供了第 二種模式的范例。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)

6、和麥克斯韋確立了電磁場方程組的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了 今日的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電報(bào)、電視、雷達(dá)，創(chuàng)建了現(xiàn)代的電力工程與無線電技術(shù)。在當(dāng)今世界中，第二種模式的重要性更為顯著，物理學(xué)已成為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的先 導(dǎo)與基礎(chǔ)學(xué)科。反過來，高技術(shù)發(fā)展對物理學(xué)提出了新的要求，同時(shí)也提供了先進(jìn)的研究條 件與手段。所謂高技術(shù)指的是那些對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起極大推動作用的當(dāng)代尖端技術(shù)。20世紀(jì)物理學(xué)的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)就在于核能的利用，這可以說是由基礎(chǔ)研究生長出來 的一項(xiàng)全新的技術(shù)。1905年愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式的提出，確立了核能利用的理論基礎(chǔ)。40 年代，根據(jù)重核裂變能量釋放的原理，建立了原子反應(yīng)堆，使核裂變能的利用成為現(xiàn)實(shí)。50 年代

7、，根據(jù)輕核在聚變時(shí)能量釋放的原理，設(shè)計(jì)了受控聚變反應(yīng)堆。聚變能不僅豐富，而且 安全清潔。可控?zé)岷司圩兡艿难芯繉榻鉀Q21世紀(jì)的能源問題開辟道路。信息技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位日趨重要，計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)已經(jīng)從根 本上改變了當(dāng)代社會的面貌。如果說第一次工業(yè)革命是動力或能量的革命，那么第二次工業(yè) 革命就是信息或負(fù)熵的革命。人類邁向信息時(shí)代，面對著內(nèi)容繁雜、數(shù)量龐大、形式多樣的 日趨增值的信息，光通信以激光為光源，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)，比電通信容量大10億倍。 光通信開辟了高效、廉價(jià)、輕便的通信新途徑。21世紀(jì)，人類將從工業(yè)時(shí)代進(jìn)入信息時(shí)代。電子技術(shù)是在電子學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1906年，第

8、一支三極電子管的出現(xiàn)， 是電子技術(shù)的開端。50年代末發(fā)明了集成電路，而后集成電路向微型化方向發(fā)展。1967年產(chǎn) 生了大規(guī)模集成電路。今天的超大規(guī)模集成電路芯片上，在一根頭發(fā)絲粗細(xì)的橫截面積上， 可以制備40個(gè)左右的晶體管。面對超大規(guī)模電路中圖形尺寸不斷縮小的事實(shí)，人們已看到， 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的微電子技術(shù)已接近它的物理上和技術(shù)上的極限。要求物理學(xué)家從微結(jié)構(gòu) 物理的研究中，制造出新的能滿足更高信息處理能力要求的器件，使微電子技術(shù)得到進(jìn)一步 發(fā)展。思想性物理學(xué)在自身的發(fā)展進(jìn)步中積累的思想方法是人類思想領(lǐng)域的瑰寶。這些思想方法和物理學(xué) 的研究成就一道在改善人們的生產(chǎn)、生活條件的同時(shí)，也改變著人們的思

9、維方式。指引著人 們破除迷信、消除愚昧、尊重客觀事實(shí)、尊重科學(xué)，不斷追求真、善、美，推動人類文明的 車輪該滾向前。人類社會歷史上的幾次工業(yè)革命都足以物理學(xué)的重大成果為基礎(chǔ)的。牛頓力 學(xué)、熱學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命，使人類進(jìn)入蒸汽機(jī)時(shí)代，解放了人的體力。電磁技 術(shù)的突破性成就迎來了第二次工業(yè)革命。人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。量子理論、相對論使得核 物理學(xué)取得重大突破，引發(fā)了第三次工業(yè)革命，人類進(jìn)入了原子能時(shí)代。物理學(xué)描繪了物質(zhì)世界的一幅完整的圖象，它揭示出各種運(yùn)動形態(tài)的相互聯(lián)系與相互轉(zhuǎn) 化，充分體現(xiàn)了世界的物質(zhì)性與物質(zhì)世界的統(tǒng)一性，19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律，被恩 格斯稱為偉大的運(yùn)動基本定律，

10、它是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一及唯物辯證法的自然科 學(xué)基礎(chǔ)。物理學(xué)史告訴我們，新的物理概念和物理觀念的確立是人類認(rèn)識史上的一個(gè)飛躍，只有沖破舊的傳統(tǒng)觀念的束縛才能得以問世。例如普朗克的能量子假設(shè)，由于突破了 “能量 連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，而遭到當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的反對。普朗克本人由于受到傳統(tǒng)觀念的束縛， 在他提出能量子假設(shè)后多年，長期惴惴不安，一直徘徊不前，總想回到經(jīng)典物理的立場。同 樣，狹義相對論也是愛因斯坦在突破了牛頓的絕對時(shí)空觀的束縛，形成了相對論時(shí)空觀的基 礎(chǔ)上建立的。這說明正確的科學(xué)觀與世界觀的確立，對科學(xué)的發(fā)展具有重要的作用。物理學(xué)是理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的科學(xué)。物理學(xué)中很多重大的發(fā)現(xiàn)，重要原理的提出和 發(fā)